TURBINE AD ASSE ORIZZONTALE

Nel 1888 il visionario Charles Brush realizzò negli Stati Uniti uno dei primi tentativi di generare elettricità sfruttando una turbina ad asse orizzontale. Nella sua turbina (Fig. 2.3.1) l’aria colpiva un gran numero di pale che perciò era costretta a deviare, generando una rotazione di tutta la ruota. Questo tipo di rotore è uguale in tutto e per tutto alle turbine multipala dei ranch

americani, solo che quest’ultime erano usate solo per pompare acqua.

Questo tipo di sistema è basato sulla resistenza offerta dalle pale, quindi ha una velocità di rotazione molto bassa ed una coppia molto elevata.

L’utilizzo di questi rotori è stato oramai abbandonato privilegiando rotori più veloci che sfruttano la coppia prodotta dalla portanza e non dalla resistenza.

Fig. 2.3.1 Turbina di Charles Brush

Proprio come accade in campo nautico dove prevalgono le zone in cui la navigazione avviene per portanza e non per resistenza (Fig. 2.3.2), anche nel settore eolico è vantaggioso prediligere la forza di portanza dato che nella maggior parte delle configurazioni in cui una pala si trova a lavorare tale forza risulta di maggiore entità rispetto alla resistenza.

59 In questo modo si viene ad avere così un rotore con una grande velocità angolare e una coppia di modesta entità, quindi un meccanismo che tutto sommato riesce a produrre maggior potenza. Questo sistema si adatta bene per la produzione di energia ma non per applicazioni di pompaggio dell’acqua o macinazione del grano, inoltre la bassa coppia genererà una turbolenza fluidodinamica a valle del rotore di minor entità.

Le moderne turbine eoliche ad asse orizzontali basate su portanza si rifanno al modello introdotto da Marcellus Jacobs la cui macchina prevedeva anche un timone direzionale che orientava il rotore al vento. Durante tutto il secolo scorso questo tipo di aerogeneratori ha continuato ad evolversi fino a diventare un modello molto avanzato e di dimensioni sempre maggiori.

Tutti i generatori eolici ad asse orizzontale sono caratterizzati da elementi comuni: sono costituiti da una torre di sostegno, un rotore (che è l’insieme delle pale, del mozzo, dell’albero e parte del meccanismo di controllo del passo) e da una navicella (gondola) in cui sono contenuti il generatore, il moltiplicatore di giri (assente nel caso di generatori sincroni), i freni, il sistema di controllo (che deve azionare i freni meccanici in caso di sovraccarico, guasto o per manutenzione), gli attuatori del “pitch control” (controllo del passo) e dello “yaw control” (controllo dell’imbardata).

L’angolo di “pitch”, o angolo di calettamento, è l’angolo che assume la pala rispetto all’asse di rotazione del rotore, tramite una sua variazione è possibile regolare l’incidenza del vento sulla pala e di conseguenza effettuare una regolazione attiva della macchina.

L’angolo di “yaw” è l’angolo di rotazione della navicella sulla propria torre di sostegno; dal momento che la macchina deve sempre essere allineata rispetto al vento, un sistema di movimentazione attivo, formato da attuatori elettrici provvede a movimentare la navicella a seconda della direzione del vento registrata da un apposito strumento (indicatore di direzione, simile a una banderuola) posto nella parte posteriore della navicella stessa. Nel caso di macchine di piccola potenza la variazione dell’angolo di “pitch” è assente, mentre quella dell’angolo di “yaw” al posto di essere effettuata da meccanismi elettroattuati viene garantita da un timone (Fig. 2.3.3) che meccanicamente senza elettricità orienta la navicella.

La torre di sostegno oltre a sostenere il rotore, ha il compito di assorbire le vibrazioni provenienti dalla navicella evitando che le stesse vadano a scaricarsi eccessivamente sul basamento e sulle fondazioni.

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Fig. 2.3.3: Micro turbina eolica ad asse orizzontale con timone per la regolazione dell’angolo di “yaw”

La tendenza attuale è quella di realizzare la torre di sostegno in acciaio laminato, a sezione tubolare con elementi componibili di forma tronco-conica che va ridicendosi verso l’alto collegati mediante flange o incastri; in tal modo si riescano a smorzare le sollecitazioni provenienti dalla navicella, con notevoli vantaggi nella realizzazione delle fondazioni.

Esistono due modalità di installazione del rotore (Fig. 2.3.4): quella sottovento e quella sopravento.

La prima non ha bisogno di nessun motore elettrico per lo “yaw control” e nessun timone, infatti le pale sono molto flessibili e flettendo creano un cono aerodinamico che allinea la macchina al vento.

SOPRAVENTO SOTTOVENTO

61 Presenta però il grosso problema di generare carichi pulsanti su tutta la struttura facendo sorgere il fenomeno della fatica e poi c’è anche il problema dell’influenza fluidodinamica dalla torre che riduce l’efficienza, ragione per cui in genere si predilige l’installazione sopravento che pur richiedendo pale più rigide, affinché la loro flessione non le porti a impattare contro la torre di sostegno, garantisce maggior efficienza.

Per entrambe le installazioni al crescere della velocità del vento l’angolo di attacco sulle pale aumenta finché al di sopra di una certa velocità, il flusso d’aria inizia a distaccarsi dalla superficie delle pale. Questo fenomeno di stallo si presenta all’inizio in prossimità del mozzo e poi si estende verso l’estremità della pala all’aumentare della velocità del vento fornendo un meccanismo automatico di regolazione della potenza.

Attualmente il numero di pale può variare da un minimo di una a un massimo di tre pale con le seguenti differenze:

- Rotori tripala (Fig. 2.3.5): con tre pale montate a 120° l’una rispetto all’altra e con numero di giri caratteristico tra 30 e 60 giri/minuto, è la configurazione più usata perché, se pur a fronte di costi di trasporto e di costruzione maggiori, è quella caratterizzata dalla miglior efficienza;

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Fig. 2.3.5: Rotori tripala

- Rotori bipala (Fig. 2.3.6): con due pale montate a 180° l’una rispetto all’altra e con numero di giri caratteristico tra 40 e 70 giri/minuti (quindi superiore rispetto al caso precedente). Ha un costo minore dei tripala ma anche un’efficienza minore risentendo maggiormente della presenza della torre e della variazione di velocità con la quota;

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Fig. 2.3.6: Rotore bipala

- Rotore monopala (Fig. 2.3.7): presenta una sola pala munita di apposito contrappeso, è la soluzione meno costosa, di aspetto poco gradevole e più rumorosa in quanto è la più veloce tra i tre modelli esaminati; risulta indicata nel caso di siti poco accessibili; dato che l’ efficienza è minore delle due viste sopra.

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Fig. 2.3.7: Rotori monopala

Nella maggior parte dei casi i generatori eolici ad asse orizzontale di grossa taglia (650-1000 kW) vengono impiegati per la produzione energia elettrica in centrali eoliche chiamate wind farm che possono sorgere sia sulla terraferma (on-shore) che in mare aperto (off-shore) (Fig. 2.3.8).

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Fig.2.3.8:Parco eolico off-shore e on-shore